Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
CA 02500959 2005-03-23
1
CARTER DE TURBINE A CROCHETS RÉFRACTAIRES OBTENU PAR
PROCÉDÉ MDP
L'invention concerne un carter de stator de turbine et son
procédé de fabrication. Plus particulièrement, l'invention concerne un
carter de stator d'une turbine de turboréacteur d'avion.
Un tel carter comprend une enveloppe de forme générale
tronconique et des crochets de fixation solidaires de cette enveloppe et
faisant saillie sur sa face interne. Ces crochets de fixation servent à
soutenir des anneaux ou des segments d'anneau porteurs d'aubes fixes,
formant un ensemble communément appelé distributeur de turbine. Un
stator comprend généralement plusieurs séries de crochets qui
soutiennent plusieurs distributeurs répartis sur la face interne de
l'enveloppe. Entre ces anneaux, on trouve des roues mobiles porteuses
d'aubes mobiles du rotor de la turbine. Le couple formé par un distributeur
et une roue mobile constitue un étage de turbine.
La turbine d'un turboréacteur d'avion est traversée par des gaz
de combustion très chauds et fonctionne donc dans des conditions
thermiques particulièrement difficiles. Aussi, les crochets de fixation en
contact avec la veine des gaz de combustion, sont soumis à des
échauffements beaucoup plus importants que l'enveloppe qui, par ailleurs,
est refroidie sur sa face externe par un système de refroidissement,
généralement un système de tuyaux perforés, communément appelés
colliers à douche, soufflant de l'air frais sur ladite enveloppe.
Comme l'illustre la demande de brevet européen EP 1 288 444,
il est connu de réaliser des crochets de fixation dans un alliage résistant
bien à l'échauffement et éventuellement différent selon l'emplacement
desdits crochets à l'intérieur de l'enveloppe ; et de réaliser l'enveloppe
dans un alliage plus ordinaire, moins réfractaire que celui des crochets, et
donc plus facile et moins coûteux à façonner.
Dans ce mode de réalisation connu, les crochets sont fixés à
l'enveloppe par frettage, par soudage conventionnel ou par boulonnage.
Ces divers moyens d'assemblage présentent néanmoins des
inconvénients.
Par exemple, le soudage conventionnel par fusion favorise la
fissuration à chaud dans la zone fondue et l'apparition de criques au
niveau de la zone affectée thermiquement lors du soudage. Le
boulonnage, quant à lui, complique la structure du carter en augmentant
CA 02500959 2012-01-17
7
le nombre de pièces qui le constitue. Et, tous ces moyens d'assemblage ne
présentent pas généralement une résistance suffisante à la fatigue.
L'invention est relative à un carter de stator de turbine amélioré,
dont l'enveloppe est réalisée selon un procédé de fabrication particulier,
des crochets de fixation étant solidarisés à cette enveloppe par des
moyens d'assemblage de structure simple, présentant une bonne
résistance mécanique, et résistant parfaitement à l'échauffement.
Sous sa forme la plus générale, l "invention concerne un carter
de stator de turbine comprenant une enveloppe et des crochets de fixation
l o d'aubes fixes, faisant saillie sur la face interne de cette enveloppe,
caractérisé en ce que ladite enveloppe est réalisée dans un premier alliage
par compression isostatique à chaud, à partir de poudre métallique, lesdits
crochets de fixation étant réalisés dans un deuxième alliage, plus
réfractaire que le premier, et solidarisés à ladite enveloppe par soudage-
diffusion au cours de la compression isostatique à chaud, ledit carter
comprenant
en outre, des inserts qui traversent les crochets de fixation et ladite
enveloppe.
On notera tout d'abord que te fait de réaliser l'enveloppe du
carter par compression isostatique à chaud (notée ci-après C.I.C.) permet
de bénéficier des avantages de cette technique de fabrication connue et
2o détaillée plus loin.
Un autre intérêt de l'invention réside dans le fait qu'on profite
du cycle de mise en oeuvre de la C.I.C pour procéder à la solidarisation
par soudage-diffusion des crochets de fixation sur l'enveloppe, ce qui
permet de gagner du temps lors de la fabrication du carter. La technique
de soudage-diffusion est une technique connue qui permet d'assembler
entre elles deux pièces réalisées dans des alliages de compositions
différentes mais néanmoins compatibles du point de vue de la diffusion.
Ainsi, selon l'invention, les crochets sont réalisés dans un
deuxième alliage plus réfractaire que le premier, de sorte que ces crochets
3o résistent par exemple à des températures au moins supérieures à 900 C
CA 02500959 2012-01-17
2a
tandis que l'enveloppe ne résiste qu'à des températures de l'ordre de
750 'C. Bien évidemment, il est possible d'utiliser différents types de
deuxième alliage, plus ou moins réfractaires, en fonction de la position des
crochets à l'intérieur de l'enveloppe et des températures auxquelles ils
sont soumis. En effet, on sait que pour certains types de turboréacteurs,
la température à certains étages de la turbine peut atteindre 1050 C voire
1100 C.
CA 02500959 2005-03-23
3
Avantageusement, les crochets sont en alliage de fonderie
contenant du nickel et/ou du cobalt et ils peuvent être réalisés par
procédé de fonderie équiaxe, monocristalline ou de fonderie par
solidification dirigée. En règle générale, on peut choisir de fabriquer les
crochets dans des alliages analogues à ceux utilisés pour fabriquer les
aubes de la turbine.
L'enveloppe, quant à elle, est réalisée dans des alliages ou
superalliages utilisés ordinairement dans l'aéronautique, comme l'alliage
commercialisé sous la marque Waspaloy ou l'alliage connu sous la
marque Inconel 718 . Ceci permet de réparer sans difficulté cette
enveloppe, après qu'elle ait subi des dégradations, par des techniques de
réparation classiques comme le soudage, l'assemblage ou le
rechargement. Les dégradations de l'enveloppe peuvent par exemple
résulter de chocs lors de sa fabrication ou de sa manutention.
En résumé, il est intéressant d'utiliser des premier et deuxième
alliages différents car les exigences d'utilisations de l'enveloppe et des
crochets sont différentes. Les crochets doivent avant tout présenter une
bonne résistance aux très hautes températures, tandis que l'enveloppe n'a
pas besoin de présenter une telle résistance mais doit pouvoir être
réparée facilement. Par ailleurs, les crochets résistant bien à la chaleur, il
n'est pas nécessaire de les refroidir avec de l'air frais.
Selon un mode particulier de réalisation de I invention, le carter
comprend des inserts qui traversent les crochets de fixation et ladite
enveloppe. Avantageusement, ces inserts sont également solidarisés à
ladite enveloppe par soudage-diffusion, au cours de la compression
isostatique à chaud.
Même s'ils compliquent légèrement la structure du carter, ces
inserts présentent plusieurs avantages. Avant tout, ils permettent lors de
la fabrication du carter, de fixer les crochets à une partie du moule à
l "intérieur duquel on forme l'enveloppe, de manière à garantir le bon
positionnement de ces crochets durant le cycle de C.I.C. Ensuite, ces
inserts peuvent faire saillie sur la face externe de l'enveloppe de manière à
former des bossages. Ces bossages peuvent alors être utiles pour fixer un
élément extérieur au carter, par exemple un élément du système de
refroidissement. On peut même ménager dans chaque insert un alésage
CA 02500959 2012-01-17
4
fileté qui débouche au niveau du bossage et dans lequel il est possible de
visser une tige filetée solidaire d'un élément extérieur au carter.
L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un
carter de stator de turbine du type de celui précédemment décrit et
comprenant une enveloppe réalisée dans un premier alliage et des
crochets de fixation d'aubes fixes, faisant saillie sur la face interne de
cette enveloppe, caractérisé en ce qu'on réalise lesdits crochets dans un
deuxième alliage, plus réfractaire que le premier, on dispose ces crochets
à l'intérieur d'un moule, on remplit ce moule avec une poudre métallique
lo du premier alliage, les crochets étant disposés de manière à être en
contact avec ladite poudre, et on moule ladite enveloppe par compression
isostatique à chaud de ladite poudre métallique, les crochets se
solidarisant à l'enveloppe par soudage-diffusion au cours de la
compression isostatique à chaud, lesdits crochets étant fixés audit moule par
l'intermédiaire d'inserts pour garantir le bon positionnement de ces crochets
durant
la compression isostatique à chaud.
Les avantages du carter de l'invention et du procédé de
fabrication de ce carter, seront mieux compris à la lecture de la description
détaillée qui suit, d'un mode de réalisation particulier de l'invention.
20 - la figure 1 est une vue en perspective d'un exemple de carter de stator
de turbine selon l'invention ;
- la figure 2 est une coupe axiale d'une partie du moule servant au
moulage de l'enveloppe du carter de la figure 1 ;
- la figure 3 est une coupe axiale d'une partie du carter de la figure 1 ; et
- la figure 4 est une coupe axiale de la partie de carter représentée figure
3, sur laquelle est monté un anneau porteur d'aubes fixes.
En référence aux figures 1, 3 et 4, l'exemple de carter 1
représenté comprend une enveloppe 2 de forme générale tronconique sur
laquelle sont rapportés des crochets de deux types : des crochets plats 3a
3o et des crochets à talon 3b. Les crochets d'un même type se présentent
CA 02500959 2012-01-17
4a
sous la forme de segments incurvés et sont mis bout à bout de manière à
former sur la face interne de l'enveloppe 2 des anneaux de crochets.
Dans l'exemple représenté figure 1, le carter 1 comprend trois
anneaux de crochets plats 3a et trois anneaux de crochets à talon 3b, ces
anneaux de types différents étant intercalés.
Comme représenté figure 4, les crochets 3a et 3b servent à
soutenir un distributeur 6 de turbine formé d'anneaux ou de segments
d'anneaux porteurs d'aubes fixes 9. Ces aubes fixes 9 sont liées par le
CA 02500959 2005-03-23
pied à l'anneau extérieur 10 du distributeur 6. Cet anneau extérieur 10 est
muni à l'avant et à l'arrière de crochets 11 et 12 aptes à coopérer
respectivement avec les crochets de fixation 3a, 3b de l'enveloppe 2, de
sorte que l'anneau extérieur 10 est maintenu par les crochets de fixation
5 3a, 3b.
La structure du carter 1 étant bien comprise, on va maintenant
décrire son procédé de fabrication en référence à la figure 2. Sur cette
figure est représenté l'outillage utilisé pour former le moule à l'intérieur
duquel on vient injecter une poudre métallique 5 d'un premier alliage pour
la soumettre à une compression isostatique à chaud, c'est-à-dire à un
cycle de chauffage particulier accompagné d'une mise sous pression.
Pratiquement, on forme le moule à partir de différentes pièces
d'outillage intérieures 01, 02, 03 et extérieures El et E2.
La conception des pièces d'outillage est très rigoureuse et fait
appel à l'utilisation de la conception assistée par ordinateur (CAO) avec en
particulier la modélisation des retraits locaux lors de la C.I.C de
l'enveloppe 2 formée. Cette technique particulière, plus connue sous le
nom de procédé ISOPREC (marque déposée), permet d'obtenir une
enveloppe de carter directement aux cotes et donc de limiter son usinage
ultérieur.
Comme représenté sur la figure 2, on utilise un insert 20
sensiblement cylindrique pour maintenir en position les crochets 3a ou 3b
durant la C.I.C. Un tel insert 20 qui a dans l'exemple une géométrie de
révolution, comprend un corps cylindrique 24 destiné à traverser une
ouverture circulaire 23 ménagée dans un crochet 3a ou 3b et, à une
première extrémité, un épaulement circulaire 22 de diamètre supérieur à
celui de l'ouverture 23, qui vient en butée contre le crochet 3a ou 3b.
Dans l'exemple, le diamètre du corps 24 est très légèrement inférieur à
celui de l'ouverture 23 de sorte que le jeu entre M insert et le crochet 3a ou
3b est suffisamment faible pour que ce crochet ne se dégage pas et reste
en position fixe sur l'insert 20. Il est également possible de prévoir que
l'insert 20 soit monté par emmanchement forcé dans l'ouverture 23.
La deuxième extrémité de l'insert 20, opposée à la première et
donc tournée vers l'extérieur, est susceptible de venir dans un logement
29 prévu à cet effet sur l'outillage extérieur El. Un alésage traverse cet
outillage El et débouche d'un coté sur sa surface extérieure, et de l'autre
CA 02500959 2005-03-23
6
au fond du logement 29. Un autre alésage 27, fileté celui-ci, est ménagé
dans l'insert 20 et débouche au niveau de sa deuxième extrémité. Ces
alésages 27 et 29 permettent le passage d'une vis 28. Lorsque la vis 28
est serrée dans l'alésage fileté 27, la deuxième extrémité de l'insert 20
vient en butée au fond du logement 29 et le crochet 3a ou 3b est
maintenu dans une position fixe. Cette position est telle que la face
externe 30 du crochet soit dans le prolongement des surfaces extérieures
S des outillages intérieurs 01, 02 et 03. Les surfaces S forment alors avec
les surfaces intérieures S' des outillages extérieurs El et E2 et avec les
faces externes 30 des crochets 3a et 3b les parois du moule à l'intérieur
duquel la poudre métallique 5 est injectée. Ainsi, les faces externes 30 des
crochets 3a et 3b sont au contact de la poudre 5 lorsque celle-ci est
compressée par C.I.C.
Pour réaliser pratiquement la C.I.C, on dispose l'ensemble formé
par l'outillage, les crochets, les inserts, les vis et la poudre dans un
autoclave sous une pression élevée à température élevée. Par exemple, à
1 000 bars et 1 200 C. Ledit ensemble va se comprimer sous l'effet de la
température et de la pression et la poudre métallique se densifier pour
former l'enveloppe 2. Par ailleurs, l'enveloppe 2 et les crochets 3a et 3b
sont choisis dans des alliages de compositions compatibles pour pouvoir
être soudés par soudage-diffusion. De manière connue en soi, le soudage-
diffusion est un procédé qui consiste à maintenir des pièces en contact, ici
l'enveloppe 2 et les crochets 3a et 3b sous une pression et une
température données pendant un temps contrôlé. Ici, les bonnes
conditions de température et de pression sont atteintes durant le cycle de
C.I.C. Les déformations plastiques créées à la surface des pièces
permettent un contact intime ainsi qu'une migration, ou diffusion, des
éléments entre les pièces, pour autant que ces dernières soient réalisées
dans des alliages compatibles.
On notera que le procédé de soudage-diffusion nécessite une
bonne préparation de la face externe 30 des crochets 3a et 3b.
Avantageusement, les inserts 20 utilisés, sont en un troisième
alliage identique au deuxième alliage ou analogue à celui-ci en ce sens
qu'il est plus réfractaire que le premier alliage et compatible avec ce
dernier du point de vue de la diffusion.
CA 02500959 2005-03-23
7
Ainsi, à l'image des crochets 3a et 3b, les inserts 20 vont se
solidariser à l'enveloppe 2 par soudage diffusion lors du cycle de C.I.C.
Dans l'exemple représenté, le corps 24 des inserts 20 présente,
en outre, une rainure périphérique 26. Cette rainure 26 est annulaire et
ménagée dans la zone de contact du corps 24 avec la poudre métallique
5. Ainsi, la poudre 5 pénètre à l'intérieur de la rainure 26 qui se retrouve
noyée dans la masse de l'enveloppe 2 lors de sa fabrication. La rainure 26,
optionnelle, permet d'améliorer la fixation des inserts 20 sur l'enveloppe 2.
Une fois le moulage de l'enveloppe 2 terminé, on détruit le
moule réalisé par exemple en acier doux, par exemple en le dissolvant
dans de l'acide, par exemple de l'acide nitrique, puis on dévisse les vis 28.
Par la suite, on montera le carter à I intérieur d'un turboréacteur
d'avion. Les alésages filetés 27, laissés libres, pourront alors permettre de
fixer des tuyaux perforés équipés de tiges filetées correspondantes, qui
permettent de souffler de l'air frais sur le carter 1 pour le refroidir.
